A Fifth Force of Nature – We’ll Try to Explain

W tym tygodniu być może widzieliście jakieś nagłówki o odkryciu piątej fundamentalnej siły natury. Może nawet trochę o tym poczytałeś, ale potem pewnie rzuciłeś lekturę, bo… fizyka cząstek, kwanty, bozony, nośniki siły…

Odejdź od artykułów: Jesteśmy tu, aby pomóc.

Jeśli pamiętasz jakąkolwiek fizykę, której uczyłeś się w szkole, możliwe, że pamiętasz, że istnieją cztery podstawowe siły natury.

Są to w nieszczególnej kolejności grawitacja, elektromagnetyzm, słaba siła jądrowa i silna siła jądrowa.

Piąta? Czy powinienem znać pozostałe cztery?

Grawitacja jest dość łatwa do zrozumienia: dwie rzeczy, które mają masę (atomy, ludzie, planety, gwiazdy) są przyciągane do siebie. Im większa masa, tym silniejsze przyciąganie. Easy peasy.

Elektromagnetyzm? Cóż, to proste, to elektryczność i magnetyzm zmasakrowane. Tak, ale to nie wyjaśnia, jak to naprawdę działa. Siła elektromagnetyczna wyjaśnia, jak rzeczy, które są elektrycznie naładowane (dodatnio lub ujemnie) oddziałują ze sobą. Jednym z najważniejszych wniosków jest to, że ładunek magnetyczny może stworzyć ładunek elektryczny i odwrotnie. Te interakcje są odpowiedzialne za wytwarzanie energii elektrycznej, która jest rodzajem wielkiej sprawy. Elektromagnetyzm i to jak popycha i ciągnie obiekty jest odpowiedzialny za energię w rzeczach takich jak baterie i magnesy, ale obejmuje również światło, które jest po prostu falami promieniowania elektromagnetycznego.

Dwie pozostałe siły to słaba i silna siła jądrowa i chociaż obie są silniejsze od grawitacji, działają tylko w maleńkich przestrzeniach między atomami i jeszcze mniejszych przestrzeniach, w których fizyka kwantowa zaczyna robić wszystko naprawdę dziwne.

Silna siła jądrowa jest w rzeczywistości najsilniejszą z czterech znanych sił i w zasadzie klejem, który wiąże wszystko razem. Jest ona odpowiedzialna za utrzymywanie protonów i neutronów (które wraz z elektronami tworzą atomy) w stanie stabilnym, a następnie pozwala im wiązać się w jądra atomowe. Słaba siła z drugiej strony jest odpowiedzialna za rozpad radioaktywny, przeciwieństwo silnej siły, to właśnie ona kontroluje jak rzeczy na poziomie jądrowym rozpadają się. Aha i przy okazji jest odpowiedzialna za fuzję i utrzymuje nasze słońce jasne i ciepłe.

To są właśnie cztery siły, bez zagłębiania się w to jak te rzeczy działają.

A co z piątą siłą?

Ale musimy się trochę zagłębić, ponieważ musimy wiedzieć, co sprawia, że grawitacja lub którakolwiek z pozostałych sił faktycznie robi swoje.

Czy jedno ciało o masie po prostu magicznie zaczyna poruszać się w kierunku innej masywnej rzeczy? Nie, jest to możliwe dzięki rzeczom zwanym cząstkami przenoszącymi siły. Nośniki sił to cząstki, które przenoszą informacje między rzeczami i mówią im, jak mają się zachowywać. Pomyśl o nośnikach sił jak o małych, kieszonkowych konstytucjach dla każdej z czterech podstawowych sił. Określają one nie tylko wszystkie zasady, jak się zachowywać, ale także zmuszają siły (ha) do działania zgodnie z tymi zasadami.

Nośnikami sił dla grawitacji są hipotetyczne rzeczy zwane grawitonami, dla elektromagnetyzmu są to fotony. Dla słabej siły jądrowej nośnikami są cząstki W i Z, a dla silnej siły jądrowej – gluony. Wszystkie te nośniki sił są klasyfikowane jako przykłady bozonów.

Ale w zeszłym roku grupa fizyków z Węgierskiej Akademii Nauk zauważyła to, co wydział fizyki Uniwersytetu Kalifornijskiego w Irvine (UCI) nazwał „zastanawiającymi anomaliami w ich danych eksperymentalnych”. Węgrzy nie byli pewni, co to za anomalie, ale wskazywały one na istnienie nowego rodzaju lekkiej cząstki. To mniej więcej tyle, ile udało im się ustalić. Nie byli w stanie określić, czy ta nowa cząstka ma masę, czy też jest to nowy rodzaj bozonu bez masy, jak foton.

Niestety, parafrazując Abrahama Lincolna, świat „nie zauważył ani nie zapamiętał na długo” pracy węgierskich naukowców.

Z wyjątkiem zespołu fizyków kierowanego przez Jonathana Fenga, profesora fizyki i astronomii UCI. Wraz ze swoim zespołem Feng przyjrzał się pracy Węgrów, zebrał szereg innych podobnych eksperymentów i uznał, że Węgrzy mogli faktycznie znaleźć nowy rodzaj bozonu będącego nośnikiem siły.

„Czasami”, mówi Feng, „nazywamy go po prostu bozonem X, gdzie X oznacza nieznany”. Jeśli mają rację, nowa cząstka będąca nośnikiem siły oznacza, że musi istnieć nowa siła, piąta siła fundamentalna.

Praca zespołów została właśnie opublikowana w czasopiśmie Physical Review Letters. „Jeśli to prawda, to jest to rewolucyjne” – powiedział Feng. „Przez dziesięciolecia wiedzieliśmy o czterech fundamentalnych siłach…to odkrycie możliwej piątej siły całkowicie zmieniłoby nasze rozumienie wszechświata, z konsekwencjami dla unifikacji sił i ciemnej materii.”

I nie, nie zamierzamy nawet wchodzić w ciemną materię w tym momencie.

Więc gdzie ta siła się ukrywała? Feng twierdzi, że w przeszłości została ona po prostu przeoczona. „Jej oddziaływania są bardzo słabe,” mówi Feng.

Ale dodaje, „Istnieje wiele grup eksperymentalnych pracujących w małych laboratoriach na całym świecie, które mogą śledzić początkowe twierdzenia, teraz, gdy wiedzą gdzie szukać.”

Więc co to robi i co to oznacza?

Ta nowa siła jest bardzo podobna do elektromagnetyzmu, ale według Tima Taita, który był współautorem badania „podczas gdy normalna siła elektryczna działa na elektrony i protony, ten nowo odkryty bozon oddziałuje tylko z elektronami i neutronami – i to w bardzo ograniczonym zakresie.”

Ale potrzeba więcej badań, aby określić dokładnie, co to oznacza, jeśli chodzi o to, jak działa świat fizyczny.

Więc, jeśli ta nowa siła zostanie potwierdzona, co by to zrobiło dla naszego zrozumienia świata? Nawet Feng jeszcze tego nie wie. Ale nie brakuje spekulacji. Mogłaby ona odegrać rolę w pomocy naukowcom w znalezieniu Świętego Graala fizyki, Wielkiej Jednolitej Teorii. Ta piąta siła może pomóc zjednoczyć efekty działania sił elektromagnetycznych, słabych i silnych sił jądrowych, „przejawów”, jak mówi Feng, „jednej większej, bardziej fundamentalnej siły.”

Od dawna marzeniem fizyków jest dowiedzieć się, czy lub jak elektromagnetyzm oraz silne i słabe siły jądrowe współpracują ze sobą, a ta nowa siła może być dużym elementem tej układanki.

Jeśli uda nam się udowodnić istnienie tej piątej siły, może nas to przybliżyć o jeden przystanek do nadania prawdziwego sensu temu, jak działa nasz wszechświat.

Gotowe?

.